可穿戴式功能增强机器手系统及其辅助手指和控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种可穿戴式功能增强机器手系统及其辅助手指，辅助手指绳驱动，利用与驱动绳连接的弹簧形成力传感；环形肌电采集阵列穿戴于使用者前臂，用于估计使用者腕部和手指的运动及力的信息，并根据提取的位置和力信息对使用者的行为意图进行评估，从而做出相应的决策，辅助或者增强手指活动功能。被动式手臂机构分担人体腕部和手指承受的力，在不影响人体正常活动的情况下，能够起到助力和增强手指功能的作用。同时提供了上述机器手系统的控制方法。本发明专利技术结构紧凑，重量轻，柔顺性，安全性好，可以最大限度的增强手部功能，使使用者的自然手从事其他任务，在工业，农业，家用，娱乐等方面具有较好的使用潜力。

【技术实现步骤摘要】
可穿戴式功能增强机器手系统及其辅助手指和控制方法
本专利技术涉及可穿戴式机器人系统，具体是一种基于肌电接口的可穿戴式功能增强机器手系统及其辅助手指和控制方法，以增强单手功能。
技术介绍
可穿戴式设备及人机协同机器人技术日渐成为近些年来的研究热点，借助于人本来就具有的功能等，可穿戴式设备如外骨骼机器人能够使人机兼容，广泛应用于助力，康复，娱乐等领域，增强或拓展了个人技能，人机协同作业更加密切和实用化。目前已存在各式各样的可穿戴式设备，主要提供力量支持或者辅助。但是既提供助力又能够人机协同完成某项任务的设备并不多见，单一的助力设备或康复设备虽然起到了助力作用，但是也有可能限制其他功能的发挥，另外一些助力设备因为体积大，会对人的活动空间造成不便，因而，灵巧型的可穿戴设备，既需要满足助力需求，也需要满足人机协同的要求，另外还需要体积小，能耗，成本低。经过对现有的技术文献检索发现：中国技术专利公开号：CN202537871U，名称：一种手部及腕部外骨骼康复训练装置。该外骨骼设备主要应用于康复，并有助力装置，但是助力装置仅固定在前臂，会对人的肘部产生额外负重，不利用长期使用。中国技术专利公开号：CN200954207Y，名称：一种基于外骨骼的手臂康复器。提供了一种上肢康复训练装置，但是机构复杂，便携性差，且控制方式单一，无法实时评估人体行为意图，不能提供人机协同决策，不利于用户操作。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术上存在的不足，提供一种基于肌电控制策略的可穿戴式功能增强机器手系统及其辅助手指和控制方法，不仅用于助力，且用于人机协同作业。本专利技术是通过以下技术方案实现的。根据本专利技术的一个方面，提供了一种辅助手指，包括仿人手指、手指基座、电机a2、电机a3、电机a4，其中，所述仿人手指采用驱动绳驱动，并具有夹持自由度、屈伸自由度和回收自由度三个自由度；所述电机a4直接与仿人手指驱动连接，用于实现仿人手指的回收自由度；所述电机a4的转轴上连接有减速器，所述减速器的输出轴上连接有一个用于实现仿人手指夹持自由度的转轴，所述仿人手指通过驱动绳依次连接转轴和驱动电机a2，所述转轴与驱动电机a2驱动连接；所述仿人手指通过驱动绳与电机a3驱动连接，用于实现仿人手指的弯曲自由度；所述仿人手指连接在手指基座上；所述手指基座包括控制板安装面c2、腕部连接器c3和模块化关节接口c1，其中：所述控制板安装面c2上安装有控制面板，所述控制面板与电机a2、电机a3、电机a4控制连接；所述腕部连接器c3上设有用户手腕；所述模块化关节接口c1上安装有三自由度模块化关节；所述模块化关节接口c1、控制板安装面c2、腕部连接器c3与仿人手指的连接关系或驱动关系具体为：所述模块化关节接口c1设有关节连接法兰，所述三自由度模块化通过关节连接法兰与手指基座紧固连接；所述用户手腕设有至少一个用户腕部几何适配接口，通过调整接口半径适配不同用户需求；所述控制板安装面c2上设有用于控制面板连接的螺纹孔；所述仿人手指通过驱动绳、预紧部件以及手指连接法兰与三自由度模块化关节连接，使其运动。优选地，所述电机a2、电机a3和电机a4上分别设有码盘，用于控制仿人手指的位置。优选地，所述转轴与驱动电机a2之间设有绳驱动滑轮p1；所述仿人手指与驱动电机a3之间设有绳驱动滑轮p2；所述驱动绳分别绕过绳驱动滑轮p1和绳驱动滑轮p2，并分别形成闭合回路；所述绳驱动滑轮p1和绳驱动滑轮p2分别固定在转轴上。优选地，所述辅助手指还包括：位置传感器和力传感器，其中：所述仿人及其手指的每一个手指关节上均设有一个位置传感器，用于检测手指关节位置信息，进而得到每个手指关节的弯曲角度；所述力传感器包括与驱动绳连接的弹簧以及用于检测弹簧变形所产生电位的线性电位计，通过检测到的电位得到弹簧的变形量，进而得到每个手指关节力/力矩的大小。优选地，所述仿人手指包括对称设置的两根连杆结构，其中，每一根连杆结构均包括第一连杆和第二连杆，所述第一连杆和第二连杆之间通过铰接方式连接。根据本专利技术的第二个方面，提供了一种可穿戴式功能增强机器手系统，包括自适应前臂连接器b1、上臂连杆b2、前臂连杆b4、环形肌电采集阵列以及上述的辅助手指，其中：所述自适应前臂连接器b1通过球关节与上臂连杆b2连接，所述上臂连杆b2通过铰接机构b3与前臂连杆b4连接，所述前臂连杆b4通过球关节接口b5与辅助手指手指基座的腕部连接器c3连接；所述环形肌电采集阵列设置于前臂连杆上；所述上臂连杆b2和前臂连杆b4的长度可调节。优选地，所述铰接机构b3的转轴上设有码盘，用于记录人体肘部位置信息，为构建人及协调机制提供输入信息。根据本专利技术的第三个方面，提供了一种可穿戴式功能增强机器手系统的控制方法，采用基于肌电的Isometric(等长收缩)控制方式，在使用者手部不运动但是存在肌肉收缩情况下，通过环形肌电采集阵列采集到的肌电信号，经过模式识别，判断使用者运动意图，实现初步的手势控制。优选地，还包括如下步骤：通过对仿人手指的刚度评估和连续运动估计，实现仿人手指的阻抗控制和连续位置控制，并与力传感器获得的每个手指关节力/力矩以及电机a2、电机a3和电机a4的码盘控制的每个手指关节的弯曲角度，构建特定的人机协同控制策略。优选地，所述阻抗控制具体为：通过力传感器获得的力信息和环形肌电采集阵列获得的肌电信号进行信息融合，以获得相应的刚度序列，并用于控制手指刚度，实现人机协同控制；所述连续位置控制具体为：基于肌电信号的连续运动估计，构建基于手指关节弯曲角度和肌电信号之间的线性关系。专利技术的工作原理为：辅助手指采用腱(驱动绳)驱动，可折叠，每个关节都有位置传感器，用于检测关节位置信息；以及利用与驱动绳连接的弹簧制成基于位移测量的力传感装置，其根据弹簧的变形估计每个关节力/力矩大小；环形肌电采集阵列穿戴于使用者前臂，用于估计使用者腕部和手指的运动及力的信息，并根据提取的位置和力信息对使用者的行为意图进行评估，从而做出相应的决策，辅助或者增强手指活动功能。被动式手臂机构包括：自适应前臂连接器、上臂连杆、前臂连杆，用于分担人体腕部和手指承受的力，通过球关节和腕部连接器相连，通过铰接方式连接前臂和上臂，从而在不影响人体正常活动的情况下，能够起到助力和增强手指功能的作用。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、仿人手指采用绳驱动，具有三个自由度，通过模块化关节接口c1实现，减小了手指的重量和体积，具有轻便、灵巧的特点，适合长时间佩戴。2、三个自由度分配如下：一个夹持自由度，用于夹持物体；一个手指屈伸自由度，用于适应不同的物体轮廓和增加手指的运动空间；一个回收自由度，以便手指不工作时，沿着人的前臂折叠，减少占用空间。3、上臂连杆和前臂连杆的长度可调，以适应不同肘长的用户需求。4、可穿戴式功能增强机器手系统结构紧凑，重量轻，柔顺性，安全性好，可以最大限度的增强手部功能，从而可使使用者的自然手从事其他任务。5、可穿戴式功能增强机器手系统，采用肌电控制方式，通过力传感器获得的力信息和肌电采集阵列获得的肌电信号进行信息融合，实现人机协同控制，便于使用者控制操作。6、本专利技术在工业、农业、家用、娱乐等方面具有广泛的应用前景。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种辅助手指，其特征在于，包括仿人手指、手指基座、电机a2、电机a3、电机a4，其中，所述仿人手指采用驱动绳驱动，并具有夹持自由度、屈伸自由度和回收自由度三个自由度；所述电机a4直接与仿人手指驱动连接，用于实现仿人手指的回收自由度；所述电机a4的转轴上连接有减速器，所述减速器的输出轴上连接有一个用于实现仿人手指夹持自由度的转轴，所述仿人手指通过驱动绳依次连接转轴和驱动电机a2，所述转轴与驱动电机a2驱动连接；所述仿人手指通过驱动绳与电机a3驱动连接，用于实现仿人手指的弯曲自由度；所述仿人手指连接在手指基座上；所述手指基座设有控制板安装面c2、腕部连接器c3和模块化关节接口c1，其中：所述控制板安装面c2上安装有控制面板，所述控制面板与电机a2、电机a3、电机a4控制连接；所述腕部连接器c3上设有用户手腕；所述模块化关节接口c1上安装有三自由度模块化关节；所述模块化关节接口c1设有关节连接法兰，所述三自由度模块化通过关节连接法兰与手指基座紧固连接；所述用户手腕设有至少一个用户腕部几何适配接口；所述仿人手指通过驱动绳、预紧部件以及手指连接法兰与三自由度模块化关节连接。

【技术特征摘要】
1.一种辅助手指，其特征在于，包括仿人手指、手指基座、第一电机(a2)、第二电机(a3)、第三电机(a4)，其中，所述仿人手指采用驱动绳驱动，并具有夹持自由度、屈伸自由度和回收自由度三个自由度；所述第三电机(a4)直接与仿人手指驱动连接，用于实现仿人手指的回收自由度；所述第三电机(a4)的转轴上连接有减速器，所述减速器的输出轴上连接有一个用于实现仿人手指夹持自由度的转轴，所述仿人手指通过驱动绳依次连接转轴和第一电机(a2)，所述转轴与第一电机(a2)驱动连接；所述仿人手指通过驱动绳与第二电机(a3)驱动连接，用于实现仿人手指的弯曲自由度；所述仿人手指连接在手指基座上；所述手指基座设有控制板安装面(c2)、腕部连接器(c3)和模块化关节接口(c1)，其中：所述控制板安装面(c2)上安装有控制面板，所述控制面板与第一电机(a2)、第二电机(a3)、第三电机(a4)控制连接；所述腕部连接器(c3)上设有用户手腕；所述模块化关节接口(c1)上安装有三自由度模块化关节；所述模块化关节接口(c1)设有关节连接法兰，所述三自由度模块化通过关节连接法兰与手指基座紧固连接；所述用户手腕设有至少一个用户腕部几何适配接口；所述仿人手指通过驱动绳、预紧部件以及手指连接法兰与三自由度模块化关节连接。2.根据权利要求1所述的辅助手指，其特征在于，所述第一电机(a2)、第二电机(a3)和第三电机(a4)上分别设有码盘，用于控制仿人手指的位置。3.根据权利要求1所述的辅助手指，其特征在于，所述转轴与第一电机(a2)之间设有第一绳驱动滑轮(p1)；所述仿人手指与第二电机(a3)之间设有第二绳驱动滑轮(p2)；所述驱动绳分别绕过第一绳驱动滑轮(p1)和第二绳驱动滑轮(p2)，并分别形成闭合回路；所述第一绳驱动滑轮(p1)和第二绳驱动滑轮(p2)分别固定在转轴上。4.根据权利要求1所述的辅助手指，其特征在于，所述辅助手指还包括：位置传感器和力传感器，其中：所述仿人手指的每一个手指关节上均设有一个位置传感器，用于检测手指关节位置信息，进而得到每个手指关节的弯曲角度；所述力传感器包括与驱动绳连接的弹簧以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨辰光，梁培栋，李智军，苏春翌，陈文元，胥布工，张群峰，顾捷，
申请(专利权)人：华南理工大学，南京升泰元机器人科技有限公司，上海诺诚电气有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44